包括磁去耦超导导体的用于传输电流的系统的制作方法

文档序号:6866222阅读:295来源:国知局
专利名称:包括磁去耦超导导体的用于传输电流的系统的制作方法
技术领域
本发明一般涉及用于传输电流的系统以及用于维持该系统的至少一个电相的磁去耦超导导体。
背景在过去的三十年里,电已经从占美国最终使用能量消耗的25%上升到了40%。随着不断提高的电力需求而来的是对高度可靠、高质量的电力的愈加苛刻的要求。随着电力需求的不断增长,尤其是较旧的城市电力系统的性能即将被推至极限,因而需要新的解决方案。
诸如铜和铝等金属导体构成了世界上的电力系统的基础,该系统包括发电机、输配电系统、变压器,以及电机。高温超导(HTS)化合物的发现使得人们致力于为电力工业开发包含这些化合物的导体以替代金属导体。HTS导体将是一个多世纪里电力系统技术中最基本的进步之一。
HTS导体比具有相同物理尺寸的常规金属导体承载多一百倍的电流。HTS导体优越的功率密度将促成新一代的电力工业技术。HTS导体提供以尺寸、重量、效率,以及环境方面的益处为主。
HTS技术将从各种途径降低电力系统的成本并提高其容量与可靠性。例如,包含HTS导体的电缆能通过现有路权传输二至五倍多的电力,从而在改善电网性能的同时减少其对环境的覆盖。
表征HTS导体的一种方式是用每米成本。表征HTS导体的一种替换方式是用每千安培-米成本。例如,通过增大给定每米成本的HTS导体的电流承载容量,就可降低每千安培-米成本。该最大电流承载容量称为临界电流。
要将HTS导体有效用于电力传输中的众多需要解决的问题之一是交流损耗。降低包含HTS导体的电缆中的交流损耗的典型方法是依靠构造近乎整体式的HTS导体环。例如,支撑HTS导体以构造此环形的结构表面几乎完全用HTS导体覆盖。然而,随着HTS导体电流承载容量的提高,用来覆盖表面的导体常常多于承载电流之所需。但是,在这类设计中,减少HTS导体的量常常只会增大交流损耗。
因此,仍需要一种新的、改进的电缆绕组结构,该结构能够利用超导导体中的进步在用于传输电流的系统中使用,同时在交流损耗方面具有可接受的、甚至改善性质。
概要本发明针对一种用于传输电流的系统。该系统包括发电机、超导电缆,以及至少一个负载。此外,该系统还可包括终接、致冷系统,以及终接加致冷系统三者之一。该电缆具有包括心轴及至少一叠层的磁去耦超导导体的至少一个电相。
心轴可以是柔性材料。例如,诸如铝合金与铜合金之一的单丝或多丝(例如,多根丝)合金可用作心轴。不论结构或材料为何,只要心轴是低温相容的就是有利的。
磁去耦超导导体的一个目的是降低交流损耗。
除了包括至少一个心轴及编织的磁去耦超导导体的至少一个电相外,该电缆还可包括热绝缘、保护鞘、电绝缘材料(电介质)、静电屏蔽、故障绕组,以及致冷剂通路中的一个或多个。
当然,该电缆包括至少一个电相且可具有多个电相。这多个可为三个,且这多个电相中的至少两个包括心轴与编织的磁去耦超导导体。
相应地,本发明的一个方面是要提供一种用于传输电流的系统。该系统包括至少一个发电机、至少一个恒冷器,以及至少一个负载。该至少一个发电机产生电源的至少一相。该至少一个恒冷器具有包括至少一个心轴及磁去耦超导导体的至少一个电相。所述发电机与负载可被假想为代表电力网的等效简化,且可以电互换。
本发明的另一方面是要提供一种在诸如上述提到的、用于传输电流的系统中可用的超导电缆。该电缆具有至少一个恒冷器,其含有包括心轴与编织的磁去耦超导导体的至少一个电相。
本发明的又一方面是要提供一种用于传输电流的系统。该系统包括至少一个发电机,至少一根超导电缆,至少一个负载,以及终接、至少一个致冷系统、以及终接加至少一个致冷系统三者之一。该至少一个发电机产生电源的至少一相。该至少一根电缆具有至少一个恒冷器,其含有包括至少一个心轴与编织的磁去耦超导导体的至少一个电相。
在结合附图阅读以下对优选实施例的描述之后,本发明的这些以及其它方面对本领域的技术人员将是显见的。
附图简述

图1是示出了根据本发明构造的一种用于传输电流的系统的示意图;图2是示出了在图1的用于传输电流的系统中可使用的一种超导电缆的示意图;图3是示出了在图1的用于传输电流的系统以及图2的电缆中可使用的一种电相;图4是示出了在图1的用于传输电流的系统中可使用的一种替换的超导电缆的横截面示意图。
详细描述在以下描述中,相同的附图标记指示图中所示的所有视图的相似或相应部分。还应理解的是,诸如“顶”、“底”、“外”、“内”等的术语是为了方便起见所用的措词,而不应该解释为限定性的术语。
参照附图,具体而言参照图1,将可理解图例是为了描述本发明的优选实施例的目的而不是为了将本发明限定于此。图1示出了用于传输电流的系统10。系统10包括下列的至少一个发电机22、含有至少一个恒冷器12的电缆8、负载24、终接26以及致冷系统28。系统10可包括至少一个接头18。该至少一个发电机22可产生一相,最好是三相电源。如图2中可见,该至少一根电缆8具有含至少一个电相14的至少一个恒冷器12。图3示出了包括至少一个心轴16和编织的磁去耦超导导体20的电相14。
发电机22与负载24以及系统10是本领域公知技术中的任何一种。发电机22与负载24各自还可看成代表本领域中公知的整个导体、电缆、总线、负载、变压器、发电机等的电网。
致冷系统28的规模设计成能将电缆8内的任何超导导体的温度保持在临界温度以下。制冷系统28还必须提供一种将热量从电缆8转移到制冷系统28的方法。制冷系统28可以为制冷器并包括使致冷剂在整条电缆8内循环的机制。一个示例为使低温流体在整条电缆8内连续循环以收集热量,并通过致冷系统28以消除热量。致冷系统28的示例可以是本领域公知的任何一种。
终接26的示例可以如以下文献所公开方案中的任意一种,这些专利有于2003年2月25日授予Leijon等的美国专利第6,525,265号,“High Voltage Power CableTermination(高压电力电缆终接)”;Southwire公司等于2002年10月2日提交的PCT专利申请第PCT/US02/31382号,“Superconducting Cable Termination(超导电缆终接)”;Pirelli Cavi E Sistemi S.P.A等于1999年12月22日提交的欧洲专利第EP1151442号,“Electrical Power Transmission System Using Superconductors(使用超导导体的电力传输系统)”;Pirelli和C.S.P.A.等于2002年5月31日提交的国际专利第WO03103094号,“Current Lead for Superconducting Apparatus(用于超导装置的电线)”;Tokyo Electric Power公司等的于1999年3月16日公布的日本专利第11073824号,“Superconducting Cable Terminating Part(超导电缆终接部件)”;Castiglioni等的于2003年2月27日公布的美国专利公开第US2003/0040439A1号,“Termination of the Conductor of a Superconducting Cable(超导电缆导体的终接)”;以及于2000年4月11日授予Metra的美国专利第6,049,036号,“Terminal for Connecting A superconducting Multiphase Cable to aRoom Temperature Electrical Equipment(用于连接超导多相电缆与室温电气设备的终端)”,其每个专利的所有公开内容通过引用被包括于此,终接。
接头18可以是允许将不同长度的超导导体连接成较长长度的任意类型的接头。接头18可连接较短长度的磁去耦超导导体20以构成较长长度的磁去耦超导导体20。或者,接头18可将一定长度的磁去耦超导导体20连接到一定长度的磁耦合超导导体以构成更长长度的超导导体。在此情况下,一定长度的磁耦合超导导体可以是从部分地到基本完全磁耦合的超导导体中的任何一种。接头18的一个示例是Sumitomo Electric公司等的于2000年3月31日公布的日本专利申请第2000090998号公报“Superconducting Cable Joint(超导电缆接头)”中所公开的方案,其全部公开内容通过引用包括于此。
终接26可以为电连接器、热连接器、以及两者组合中的一种。
在优选实施例中,多个(典型的为三个)电相14可以在一个恒冷器12中被组合在一起以形成电缆8,如图2中所示。另外,电缆8还可包括以下的一种或多种热绝缘32、保护鞘34,以及致冷剂通路46。当然电缆8包括至少一个电相14并可包括多个电相14。这多个可以是三个,且这多个电相中的至少两个包括心轴16与编织的磁去耦超导导体20。为了描述的目的,术语“电相”用来表示一种物理构造,其主要功能是以基本一个电势和基本一个频率来承载电流。
恒冷器12所起的作用是保持电缆8的热区域与周围环境分隔开。恒冷器典型地包括内表面31,热绝缘32,以及外表面33。内表面31与致冷剂通路46的一部分接触尤佳。恒冷器12的外表面33与周围环境接触尤佳。或者该至少一个电相14被引入恒冷器12,或者恒冷器12被构造成覆盖该结构。
致冷剂通路46能够引导流体通过恒冷器12。流体可以为诸如液氮或液氦等液体。或者,流体可以为气体。流体在致冷器28与电缆8间进行热传递,并且可以是帮助电缆8在超导材料呈现其超导特性的温度下工作的任何材料或材料的配置。
热绝缘32可以是帮助电缆8在超导材料呈现其超导特性的温度下工作的任何材料或材料的配置,这些是本领域所公知的。热绝缘32的一个示例是基于真空的绝缘。这种基于真空的绝缘可以是一种能够保持低于大气压,最好是不大于0.5毫托左右的结构。或者,热绝缘32可以是在相当真空中的多层绝缘。
恒冷器12具有柔韧性,从而其电、物理,以及机械特性不会在电缆盘上弯曲(便于存储和/或运输)或在安装过程中被弯曲而大大恶化。恒冷器12最好是两个同轴的波纹形不锈钢管,其间具有真空的空间以形成热绝缘32。然而,恒冷器可以是与超导材料呈现其超导特性的温度相容的任何材料或材料的配置,这些是本领域所公知的。
或者,恒冷器12的外表面可用保护鞘34覆盖。保护鞘34采用能够使恒冷器12被移入到先前存在的导管中,同时又保护恒冷器12不受到防碍或阻止其工作的损害的材料制成。保护鞘34可以是诸如聚氯乙烯等聚合物。
参照图3,该至少一个电相14包括被至少一叠层的磁去耦超导导体20所包围的心轴16,该超导导体可用电介质36覆盖(有时也称为电绝缘材料36),电介质可再用至少另一叠层的磁去耦超导导体20’来覆盖。最好是有一故障绕组38、38’位于这叠层的磁去耦超导导体20’的下方或上方,并在基本相同的电势下电并联。在优选实施例中,心轴16对于最里面一叠层的磁去耦超导导体20起到故障绕组38的作用。另外,静电屏蔽层40可选择性地位于电介质36的下方和/或上方。
心轴16可以为柔性材料。最好是使用单丝和多丝(例如,多根丝)纯金属或合金(诸如铝合金和铜合金中一种)作为心轴16。或者,心轴16可以是波纹形管。或者心轴16可以是具有螺旋槽的管子(下文称为螺线管)。具有褶皱的褶皱管也可用作心轴16。此外,心轴16也能用诸如螺旋钢带等螺旋弯曲的材料制作。这些形状中的每种形状都适合给心轴16提供足够的柔韧性。柔性心轴16给本发明的电缆8提供了柔韧性。
单独的金属材料与非金属材料或其组合可用于构造心轴16。金属材料的示例包括不锈钢、铜、铝,以及类似材料,而非金属材料的示例包括聚合物、陶瓷,及其的组合。诸如加强型玻璃纤维聚合物等加强型聚合物已为本发明所构想。不论构造或材料为何,只要心轴16是低温相容的就是有利的。同样只要心轴16在电缆8的工作和安装温度下都具有足够的强度与柔韧度就是有利的。
心轴16最好包括多根诸如铜或铜合金等低阻抗金属丝,其大小设计为能处理对于给定电相可预计的故障电流。在此实施例中,心轴对最里面一叠层的磁去耦超导导体20起到故障绕组38的作用。不连续故障绕组38内的所有细丝都电并联。
当可选择性地具有螺旋槽或褶皱管的管子被用做心轴16时,可对其钻孔,孔的尺寸和形式能容许诸如用于低温超导(LTS)导体的液氦(Lhe)或用于HTS导体的液氮(LN2)流进磁去耦超导导体20的对接间隙并淹没电介质36(有时也称为电绝缘材料36)。在该实施例中,心轴16提供了中央的管状致冷剂通路46用来从致冷系统28运输致冷剂。
在一个实施例中,心轴16还可包括铺置或卷绕在心轴16上的带子。带子能形成覆盖心轴16所有凹槽的光滑表面从而使得超导带不会弯曲变形。通过铺置带子可在保持心轴16柔韧性的同时覆盖任何凹槽。带子可包括低温相容的以及在电缆8的工作与安装温度下都具有足够强度和柔韧性的任意材料。
在另一实施例中,柔性心轴16可任选地由金属丝编织层或金属丝网覆盖。
心轴16在其外部可具有螺旋槽表面、网状表面、席状表面,以及编织状表面中的任意一种以形成可构造磁去耦超导导体20的表面。
在恒冷器12中,心轴16适用于将带状超导导体20保持在指定范围的弯曲应变。该心轴16具有恒冷器12所需的长度,并被设在恒冷器12基本中心处。心轴16基本是圆柱形或螺旋形从而使得超导导体20可铺置于其上,并且心轴16一般具有沿其整个长度基本不变的直径。
在实施本发明时,可在心轴16上铺置或卷绕数个带状多丝超导导体20。超导导体20可以编织为一层或多层,同时将其表面朝向心轴16。每一层可由任意数目的超导导体20形成。当数个超导导体20被编织在心轴上以构成一层超导导体20时,其它超导导体20还可被编织在其上面。在足够数目的超导导体20作为第二层被编织在第一层超导导体20上面时,第三层超导导体20可随后被编织在其上面。在每相邻两层之间不设绝缘层。为了描述的目的,相邻两层的整体将称为一个叠层。分立的叠层内的所有超导导体都被电并联。
该叠层的磁去耦超导导体20包括编织在柔性心轴16上的多个超导导体。超导导体可包括任意构造的包括含任何超导材料部分的导体。适用的形状因素是基本圆形(通常称为线),基本扁平(通常称为带),或两者间的任何形式。超导材料可以置放在一个部分(通常称为单丝)、两个部分,或多个部分(通常称为多丝)中。
一类可用于制造超导导体的超导材料是高温超导(HTS)材料。一种HTS材料是基于铜的HTS材料。基于铜的HTS材料的示例包括La2-xMxCuO4,Ln2-xCexCuO4,ReBa2Cu3O7-d,诸如Bi2Sr2CalCu2Ox,(Bi,Pb)2Sr2CalCu2Ox以及Bi2Sr2CaCu3Ox,(Bi,Pb)2Sr2CaCu3Ox等超导体的铋锶钙铜氧化物族(其中Bi2Sr2CalCu2Ox,(Bi,Pb)2Sr2CalCu2Ox常被称为BSCCO2212,而Bi2Sr2CaCu3Ox,(Bi,Pb)2Sr2CaCu3Ox通常被称为BSCCO2223;所有这些通常被称为BSCCO),以及其组合。在La2-xMxCuO4中,M可以是Ca、Sr、Ba,及其组合中的一种。在Ln2-xCexCuO4中Ln可以是Pr、Nd、Sm、Eu、Gd,及其组合中的一种。在ReBa2Cu3O7-d中,Re可以是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb,及其组合中的一种。一种特定的ReBa2Cu3O7-d是经常被称作YBCO的YBa2Cu3O7-d。
可用的超导材料的示例可以是如以下专利中所公开方案的任意一种,这些专利有2003年8月5日授予Kobayashi的美国专利第6,601,289号“ManufacturingProcess of superconducting wire and retainer for heat treatment(超导线的制造工艺及用于热处理的止动器);2002年12月17日授予Riley,Jr.的美国专利第6,495,765号“Superconductors(超导体)”;2001年11月6日授予Li等的美国专利第6,311,386号“Processing of(Bi,Pb)SCCO superconductor in wires and tapes(线状与带状(Bi,Pb)SCCO超导体的处理)”;2001年10月2日授予Rupich等的美国专利第6,295,716号“Production and processing of(Bi,Pb)SCCO superconductor((Bi,Pb)SCCO超导体的制造与处理)”;1999年8月24日授予Li等的美国专利第5,942,466号“Processing of(Bi,Pb)SCCO superconductor in wires and tapes(线状与带状(Bi,Pb)SCCO超导体的处理)”;1999年10月19日授予Budai等的美国专利第5,968,877号“High Tc YBCO superconductor deposited on biaxially textured Nisubstrate(沉积在双轴纹理Ni基底上的高Tc YBCO超导体);1998年12月8日授予Selvamanickam等的美国专利第5,846,912号“Method for preparation of texturedYba2Cu3Ox superconductor(用于制备纹理Yba2Cu3Ox超导体的方法);2003年10月28日授予Batlogg等的美国专利第6,638,894号“Devices and systems based onnovel superconducting material(基于新型超导材料的器件和系统)”;2001年6月26日授予Bozovic等的美国专利第6,251,530号“Thin-film of a high-temperaturesuperconductor compound and method(高温超导体化合物薄膜及方法”;1991年2月19日授予Chiang的美国专利第4,994,433号“Preparation of thin filmsuperconducting oxides(薄膜超导氧化物的制备)”;2001年2月27日授予Riley,Jr.等的美国专利第6,194,352号“Multifilament composite BSCCO oxidesuperconductor(多丝复合BSCCO氧化物超导体)”;2000年5月30日授予Li等的美国专利第6,069,116号“Method of forming BSCCO superconducting compositearticles(形成BSCCO超导复合品的方法)”;1997年8月26日授予Otto等的美国专利第5,661,114号“Process of annealing BSCCO-2223 superconductors(BSCCO-2223超导体退火工艺”;1997年8月26日授予Otto等的美国专利第5,661,114号“Process of annealing BSCCO-2223 superconductors(BSCCO-2223超导体退火工艺”;以及授予Riley,Jr.等的美国专利第5,635,456号“Processing forBi/Sr/Ca/Cu/O-2223 superconductors(Bi/Sr/Ca/Cu/O-2223超导体的处理),其每个专利的所有公开内容通过引用被包括于此。
超导导体的一个示例是具有氧化物超导体与覆盖其上的稳定金属的类型,也被称为第一代超导导体。第一代超导导体中包括一种带状多丝氧化物超导线,其结构为基本由包含在银、银合金、镍,以及镍合金等稳定材料中的氧化物超导体组成的多根细丝。氧化物超导体可用诸如铋、锶、钙及铜氧化物等氧化物超导体来制备。
超导导体的另一示例是一种在金属带基底上具有氧化物超导体涂层、而金属氧化物进而可选地被涂上稳定金属的类型。该构造又被称为第二代超导导体。在该发明中所用的稳定金属与基底最好分别选自银、银合金,以及可能需要缓冲层的镍与镍合金的组合。
可用于制造超导导体的另一类超导材料是低温超导(LTS)材料。一种LTS材料是基于铌的合金。基于铌的合金的示例包括具有钽、锡、铝,及其组合中的一种的基于铌的合金。这些基于铌的合金还可包括钽、锆、锡,及其组合中的一种。一组LTS基于铌的合金是诸如那些具有重量百分比在约45至约50的钛的基于铌-钛的合金。另一组LTS基于铌的合金包括A15超导相。这种基于铌的合金可包括锡、铝,及其组合中的一种。LTS基于铌的合金的具体示例包括Nb3Sn和Nb3Al。
可用于制造超导导体的又一类超导材料是诸如MgB2等硼化镁。可用的硼化镁超导材料的示例可以是以下任一文献中所公开的任意一种,这些专利有2003年1月28日授予Serquis等的美国专利第6,511,943号“Synthesis ofmagnesium diborideby magnesium vapor infiltration process(MVIP)(使用镁蒸汽渗透工艺的二硼化镁的合成)”;Sang-Wook Cheong等的于2002年9月12日公布的美国专利公开第US2002/0127437 A1号“MgB2superconductors(MgB2超导体)”;Michael J.Tomsic的于2002年12月26日公布的美国专利公开第US2002/0198111 A1号“Method formanufacturing MgB2intermetallic superconductor wires(用于制造MgB2金属间超导体线的方法)”;以及Giovanni Giunchi等的于2004年1月15日公布的美国专利公开第US2004/0009879 A1号“Method for production ofsuperconductive wires basedon hollow filaments made of MgB2(基于由MgB2制成的中空细丝的超导线的制造方法)”,其每个专利的所有公开内容通过引用被包括于此。
在本发明中可使用的超导导体可包括基底,其有助于构造具有使其使用有实用价值的长度的超导体材料,同时还有助于绕心轴16编织超导体。例如,基底可以是诸如厚度为约25至约127微米之间的金属基底(25.4微米等于1密耳)。如果,例如超导体材料是YBCO,则其厚度可以在大约为1至5微米之间。
由于在其合金基底上的YBCO比BSCCO既更坚固又更薄,所以它允许许多新的卷绕方案。其中一种是在心轴16的表面上编织导体。超导导体20,不论是否为线的形式(或在电力电缆情况下是单根带子的形式),当在任意一对超导导体20之间基本没有净磁场时被称为是去耦的。此状态可通过在将超导导体20卷绕在心轴16上时将其交叉换位来实现。当每个超导导体20在每个可能的磁场中一定比例的时间时就可以实现交叉换位。Wilson在Superconducting magnets(超导磁体)(1983年牛津Clarendon出版社出版)中的197页讲到“内线总是在内侧而外线总是在外侧的简单绞合电缆的表现就像大的绞合复合材料且会遭受很大的自场损耗。全交叉通过确保各股之间没有净自场通量来避免这种情况。
编织的磁去耦超导导体20的一个目的是降低交流损耗。为了实现这个目的,编织的磁去耦超导导体20包括在关于心轴16的第一方向上的第一多个超导导体,以及在关于心轴16的第二方向上的基本相同数目的超导导体。编织的磁去耦超导导体20可以形成为一上一下的编织样式。类似地,编织的磁去耦超导导体20可以形成为两上两下的编织样式。即,用超导导体20构造的产生磁去耦排列的任何编织结构都是合适的编织样式。例如,编织样式可以是相对于编织轴形成编织角α的双轴编织(α是相对于纵轴所测得的锐角)。在最好的情形下,交流损耗的降低因子是带子数目的平方根。在一个示例中,各条带子被绝缘以防止它们相互间发生偶然的电接触。
将超导导体20编织在心轴16上以构建磁去耦排列是有利的。超导导体20以最高达90度,从约10至约60度为佳,并且最好是约20至约40度的铺设角度来编织。类似这种的编织在致冷剂输送软管的外面是很典型的,在输送软管外它们由许多平行的细线卷绕而成。因此,构造这种编织的技术已经存在。
在编织过程中,包括最终构造的静置状态中,超导导体上的张力被限制为不会造成超导导体的临界电流大于25%的下降。该张力极限取决于具体超导导体的类型、厚度,以及构造。
根据本发明,每个超导导体20都在一定弯曲应变下或在规定范围的曲率与规定范围的斜度编织在具有规定直径的心轴16上。沿超导导体20的纵长方向对其应用相对较松的弯曲。编织在心轴16上的超导导体20以限于不会造成超导导体的临界电流大于25%下降的弯曲应变来弯曲。该弯曲应变极限取决于具体超导导体的类型、厚度,以及构造。
YBCO具有比BSCCO高得多的电流密度,这意味着承载电缆的工作电流需要较少的带子。现有电缆设计依赖缆芯表面的全覆盖来构造低损耗的电缆绕组。这将导致使用承载电流所不需要的额外的YBCO带来覆盖表面。这会增加电缆的成本。编织的理念不依赖于全表面覆盖,且在一些情况下确可使用更少的带子,尤其在较大卷绕直径的叠层中。
回到图3,本发明的一个实施例包括具有至少两个不同组的超导导体20、20’的电相14。电介质层36(有时也称为电绝缘材料)将这至少两个不同组的磁去耦超导体20、20’中的每组隔离开是有利的。在本发明的一个实施例中,该至少两个不同组的磁去耦超导体20、20’承载近似等量的流经电缆的电流。
同样有利的是一叠层的磁去耦超导导体20离心轴16最远处提供了流经其它叠层的电流的屏蔽,从而构成了同轴结构。这种同轴结构迫使磁场基本停留于内叠层的磁去耦超导导体20与外叠层的磁去耦超导导体20’之间。在磁去耦超导导体20’的外面基本没有磁场,因此在外金属壳或可选的故障绕组38’中没有涡电流损耗。在磁去耦超导导体20、20’内部也基本没有磁场,因此在心轴或可选的故障绕组38中没有涡电流损耗。
另外,同轴构造迫使磁场基本为环向;从而局部磁场基本平行于超导导体20的表面。在一些超导导体中,这种平行场的朝向对给定大小的磁场具有更好的性能。使用这种结构,取决于磁去耦超导导体20的数目与临界电流,非常大量的电流可被承载。
故障绕组38可位于心轴16与磁去耦超导体20之间。另外,故障绕组38’可覆盖在磁去耦超导体20’上。可选的故障绕组38’的电势与磁去耦超导导体20相同;且可选的故障绕组38’的电势与磁去耦超导导体20’相同。故障绕组38包括多根诸如铜或铜合金等低阻抗金属的细丝,其大小设计为能处理给定电相可预计的任何故障电流。分立的故障绕组38内的所有细丝被电并联。
另外,静电屏蔽层40可任选地位于电介质36之下或之上。最外叠层的磁去耦超导体20或故障绕组38可用包带包裹为佳。包带起保持绕组在基本同心的位置上的作用。包带可以是满足物理、机械,以及热方面的要求的任何材料或材料的组合。其材料与电介质36相同尤佳。
在一些实施例中,最外叠层的磁去耦超导导体可被保持在基本为接地电势以为电相14起到电屏蔽与磁屏蔽的作用。本发明既包括屏蔽的也包括未屏蔽的电相14。
在一个实施例中,电介质36(有时也称为电绝缘材料36)保持在低温温度,并且任何能经受低温温度而没有物理和机械退化的材料都是适合的。本发明的一个方面的聚合物电介质在液氮与低温下有良好的物理和机械特性。其具有高介电强度与高击穿电压。并且电绝缘材料36是低温相容材料为佳。
如本领域所公知的,该至少一个电介质36(有时也称为电绝缘材料36)在给定的工作电压下应能够承受给定工作电压的典型额定基本脉冲绝缘电平(BIL)的电压电平。
电介质36(有时也称为电绝缘材料36)可以是聚丙烯、牛皮纸、聚丙烯层叠纸(通常称为PPLP)、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯、交叉链聚乙烯(通常称为XLPE)或EPR;或是能够满足物理、机械、电与热方面的要求的任何材料或材料的组合。
电介质可用多根带子挤压或卷绕而成,可直接挤压,或用本领域公知的任何方法。
静电屏蔽层40位于电介质36的下面或上面是有利的。静电屏蔽层起到平滑电缆的金属元件(诸如磁去耦超导导体层20)的电场轮廓的作用。至于至少一个静电屏蔽层40的合适材料,可以是能够对电场进行整形的任何材料,不论单独使用还是与其它材料组合使用。为了这个目的,该至少一个静电屏蔽层40可以是导电材料、半导体材料,及其组合中的任何一种。多个静电屏蔽是可以提供适合对电场进行整形的结构的数目。这个数目目前看来为每层电介质36两个。
下面是优选实施例的配置中的约34.5kV电缆的计算出的损耗对比,该电缆在约2密耳的基底上有约4毫米宽、2微米厚的YBCO,临界电流密度在1.5×1010A/m2的级数。编织对于较高的工作电流可以更加显著地降低损耗,如表1中所示。该对比假定了心轴包含铜以承载故障电流的细丝心轴样式设计的标准电缆。越高电平的故障电流对应于越大的心轴直径。所示直径为单位为以英寸计的三相电缆的外径。给出这些数字用于适当的参考,因为对直径的实际限制是电压绝缘,这在本文中没有涵盖。对于所有典型的故障电流电平,也因此对于很大范围的心轴直径,损耗降低量是相对恒定的。编织构造中的超导体中的损耗有效地对于所有电压恒定。
表1标准损耗与编织损耗之比相对于故障电流kA
虽然为了说明的目的已描述了典型的实施例,然而先前的描述不应被视为对本发明范围的限定。相应地,本领域的技术人员可以想到各种更改、改编,以及替换而不会背离本发明的精神实质和范围。例如,多个恒冷器12,每个具有一个电相14尤佳,可被组合在一起形成电缆8。电相14包含至少一叠层的编织的磁去耦超导体20。在该构造中,电介质36(有时也称为电绝缘材料36)可位于恒冷器12的外部。通常这种构造没有起到屏蔽作用的一叠层的超导体20’。该实施例还可包括以下的一个或多个故障绕组38、静电屏蔽层40、热绝缘32、保护鞘34以及致冷剂通路46,并且通常被称为室温介电超导电缆。
或者,图4示出了本发明的另一实施例,其包括至少三个,最好四个,不同叠层的同心地卷绕在一个心轴16上的磁去耦超导导体20、20’、20”、20”’(通常称为三轴构造)。一层电介质36(有时也称为电绝缘材料36)将不同叠层的超导导体20中的每叠层隔开是有利的。每叠层的磁去耦超导导体20可以是独立的电相或屏蔽。该实施例还可包括以下的一个或多个故障绕组38、38’、38”和38,静电屏蔽层40、恒冷器12、热绝缘32、保护鞘34以及致冷剂通路46。
或者,多个三轴构造可包含在一个恒冷器12内。该实施例还可包括以下的一个或多个故障绕组38、静电屏蔽层40、恒冷器12、热绝缘32、保护鞘34以及致冷剂通路46。
权利要求
1.一种用于传输电流的系统,包括a.具有至少一相的至少一个发电机;b.具有至少一个恒冷器的至少一根超导电缆,所述恒冷器包含至少一个电相,所述电相包括至少一个心轴及磁去耦超导导体;以及c.至少一个负载。
2.如权利要求1所述的用于传输电流的系统,其特征在于,还包括终接。
3.如权利要求2所述的用于传输电流的系统,其特征在于,所述终接包括电连接器。
4.如权利要求2所述的用于传输电流的系统,其特征在于,所述终接包括热连接器。
5.如权利要求1所述的用于传输电流的系统,其特征在于,还包括致冷系统。
6.如权利要求5所述的用于传输电流的系统,其特征在于,所述致冷系统为致冷器。
7.如权利要求5所述的用于传输电流的系统,其特征在于,所述致冷系统包括用于在整个恒冷器中循环致冷剂的机制。
8.在包括具有至少一相的至少一个发电机及至少一个负载的、用于传输电流的系统中可用的一种超导电缆,所述电缆包括含有至少一个电相的的至少一个恒冷器,所述电相包括a.心轴;以及b.编织的磁去耦超导导体。
9.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述心轴包含柔性材料。
10.如权利要求9所述的电缆,其特征在于,所述柔性材料包含铝合金和铜合金中的一种。
11.如权利要求10所述的电缆,其特征在于,所述铝合金与铜合金中的一种包含单丝。
12.如权利要求10所述的电缆,其特征在于,所述铝合金与铜合金中的一种包含多丝。
13.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述心轴包含波纹管。
14.如权利要求13所述的电缆,其特征在于,所述波纹管包含金属材料。
15.如权利要求14所述的恒冷器,其特征在于,所述金属材料包含不锈钢。
16.如权利要求13所述的电缆,其特征在于,所述波纹管包含非金属材料。
17.如权利要求16所述的恒冷器,其特征在于,所述非金属材料包含聚合物。
18.如权利要求17所述的恒冷器,其特征在于,所述聚合物是加强型聚合物。
19.如权利要求18所述的恒冷器,其特征在于,所述加强型聚合物是加强型玻璃纤维聚合物。
20.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,所述心轴是低温相容的。
21.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述编织的磁去耦超导导体降低了交流损耗。
22.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,关于所述心轴的第一方向上的第一多个超导导体的数目与关于所述心轴的第二方向上的第二多个超导导体的数目基本相同。
23.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述编织包括一上一下的编织样式。
24.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述编织包括两上两下的编织样式。
25.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述编织包括双轴编织(例如,编织角α是相对于编织轴(纵轴)所测得的锐角。
26.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述超导导体包含低温超导(LTS)导体。
27.如权利要求26所述的恒冷器,其特征在于,所述LTS导体包含基于铌的合金。
28.如权利要求27所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌的合金包含A15超导相。
29.如权利要求27所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌的合金包括钛、锡、铝,及其组合中的一种。
30.如权利要求29所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌的合金包含基于铌-钛的合金。
31.如权利要求30所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌-钛的合金包含重量百分比在45到50之间的钛。
32.如权利要求27所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌的合金包括钛、锡、铝,和其组合中的一种,以及钽、锆、锡,和其组合中的一种。
33.如权利要求29所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌的合金包含A15超导相。
34.如权利要求32所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌的合金包含A15超导相。
35.如权利要求34所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铌的合金包含Nb3Sn与Nb3Al中的一种。
36.如权利要求35所述的恒冷器,其特征在于,所述Nb3Sn包含重量百分比在18至25之间的锡。
37.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述超导体是高温超导体(HTS)导体。
38.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述HTS导体包含基于铜的HTS导体。
39.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述基于铜的HTS导体包含La2-xMxCuO4,Ln2-xCexCuO4,ReBa2Cu3O7-d,Bi2Sr2CalCu2Ox,(Bi,Pb)2Sr2CalCu2Ox,Bi2Sr2CaCu3Ox,(Bi,Pb)2Sr2CaCu3Ox,及其组合中的一种。
40.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铜的HTS导体包含La2-xMxCuO4,而M包含Ca、Sr、Ba,及其组合中的一种。
41.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铜的HTS导体包含Ln2-xCexCuO4,而Ln包含Pr、Nd、Sm、Eu、Gd,及其组合中的一种。
42.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,所述基于铜的HTS导体包含ReBa2Cu3O7-d,而Re包含Y、Pr、Nd,Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb,及其组合中的一种。
43.如权利要求39所述的电缆,其特征在于,所述基于铜的HTS导体包含YBa2Cu3O7-d(YBCO)。
44.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,所述超导体导体包含金属基底。
45.如权利要求44所述的恒冷器,其特征在于,所述金属基底具有25至127微米之间的厚度。
46.如权利要求45所述的恒冷器,其特征在于,所述超导体导体包含具有1至5微米之间厚度的YBCO。
47.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,所述超导体导体包含硼化镁。
48.如权利要求47所述的恒冷器,其特征在于,所述硼化镁包含MgB2。
49.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,还包括热绝缘。
50.如权利要求49所述的恒冷器,其特征在于,所述热绝缘包含基于真空的绝缘。
51.如权利要求49所述的恒冷器,其特征在于,所述热绝缘包含多层绝缘。
52.如权利要求51所述的恒冷器,其特征在于,所述多层绝缘包含超绝缘。
53.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,还包括保护鞘。
54.如权利要求53所述的恒冷器,其特征在于,所述保护鞘包含聚合物。
55.如权利要求54所述的恒冷器,其特征在于,所述聚合物包含聚氯乙烯。
56.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,还包括至少一个电绝缘材料。
57.如权利要求56所述的电缆,其特征在于,所述至少一个电绝缘材料包含多个电绝缘材料。
58.如权利要求57所述的恒冷器,其特征在于,所述多个电绝缘材料包含至少4个。
59.如权利要求56所述的恒冷器,其特征在于,所述电绝缘材料包含低温相容材料。
60.如权利要求56所述的电缆,其特征在于,至少一个电绝缘材料包含挤压件。
61.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,还包括至少一个静电屏蔽。
62.如权利要求61所述的电缆,其特征在于,所述至少一个静电屏蔽包含导电材料。
63.如权利要求61所述的电缆,其特征在于,至少一个静电屏蔽包含半导体材料。
64.如权利要求61所述的电缆,其特征在于,至少一个静电屏蔽能够对电场进行整形。
65.如权利要求61所述的电缆,其特征在于,至少一个静电屏蔽包含多个静电屏蔽。
66.如权利要求65所述的电缆,其特征在于,所述多个静电屏蔽位于电绝缘的任意一侧。
67.如权利要求65所述的电缆,其特征在于,所述多个静电屏蔽包括的每至少一个电绝缘材料层两个静电屏蔽。
68.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,还包括至少一个隔离体。
69.如权利要求68所述的恒冷器,其特征在于,所述至少一个隔离体包含非电导材料。
70.如权利要求68所述的恒冷器,其特征在于,所述至少一个隔离体包含低温相容材料。
71.如权利要求8所述的电缆,其特征在于,至少一个电相包含多个电相。
72.如权利要求71所述的电缆,其特征在于,所述多个电相中的至少两个包括a.心轴;以及b.编织的磁去耦超导导体。
73.如权利要求71所述的电缆,其特征在于,所述多个电相包含至少两个电相。
74.如权利要求8所述的恒冷器,其特征在于,还包括致冷剂通路。
75.如权利要求74所述的恒冷器,其特征在于,所述致冷剂通路能够引导流体。
76.如权利要求75所述的恒冷器,其特征在于,所述流体是液体。
77.如权利要求76所述的恒冷器,其特征在于,所述液体是液氮。
78.如权利要求78所述的恒冷器,其特征在于,所述流体是气体。
79.一种用于传输电流的系统,包括a.具有至少一相的至少一个发电机;b.具有至少一个恒冷器的至少一根超导电缆,所述恒冷器包含至少一个电相,所述电相包括至少一个心轴及编织的磁去耦超导导体;c.终接;以及d.至少一个负载。
80.一种用于传输电流的系统,包括a.具有至少一相的至少一个发电机;b.具有至少一个恒冷器的至少一根超导电缆,所述恒冷器包含至少一个电相,所述电相包括至少一个心轴及编织的磁去耦超导导体;c.至少一个致冷系统;以及d.至少一个负载。
81.一种制造用于传输电流的系统的方法,所述方法包括以下步骤a.提供具有至少一相的至少一个发电机;b.至少一个负载;以及c.提供具有至少一个致冷器的超导电缆,所述恒冷器包含至少一个电相,所述电相包含至少一个心轴及磁去耦超导导体,所述超导电缆用于在所述至少一个发电机与所述至少一个负载之间的距离的至少一部分上传输电流。
82.一种制造可在用于传输电流的系统中使用的恒冷器的方法,所述方法包括以下步骤a.提供心轴;以及b.在所述心轴上编织多个超导导体,从而使得所述超导体导体基本磁去耦。
83.一种可在用于传输电流的系统中使用的电缆,所述电缆包括a.至少一个心轴;以及b.设置在所述至少一个心轴上的多个磁去耦超导导体。
84.一种可在用于传输电流的系统中使用的电缆,所述电缆包括a.至少一个心轴;以及b.编织在所述至少一个心轴上的多个超导导体,从而将所述超导导体磁去耦。
全文摘要
描述了一种用于传输电流的系统。该系统包括至少一个发电机、至少一个恒冷器,以及至少一个负载。该系统还可包括终接、致冷系统,以及终接加致冷系统三者之一。该恒冷器具有至少一个电相,该电相包括至少一个心轴及可通过诸如编织超导体等来实现的磁去耦超导导体。
文档编号H01B12/06GK1947206SQ200580012582
公开日2007年4月11日 申请日期2005年3月22日 优先权日2004年4月27日
发明者C·瑞斯 申请人:美国超能公司
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